Chương 8: Máy điện đồng bộ

Máy phát điện đồng bộ là nguồn điện chính của lưới điện các quốc gia, trong đó động cơ sơ cấp là tuabin hơi, tuabin nước hoặc tuabin khí.. 1 + 2 Động cơ sơ cấp 1 tuốc bin hơi quay rôto m

Đại Học Đà Nẵng - Trường Đại học Bách Khoa Khoa Điện - Bộ môn Điện Công Nghiệp

Giáo trình Kỹ thuật Điện

Biên soạn: Nguyễn Hồng Anh, Bùi Tấn Lợi, Nguyễn Văn Tấn, Võ Quang Sơn

Chương 8

MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ

8.1 ĐẠI CƯƠNG

Máy điện đồng bộ là máy điện xoay chiều có tốc độ rôto n bằng tốc độ từ trường quay trong máy n1 Ở chế độ xác lập máy điện đồng bộ có tốc độ quay của rôto n luôn không đổi

Máy phát điện đồng bộ là nguồn điện chính của lưới điện các quốc gia, trong đó động cơ sơ cấp là tuabin hơi, tuabin nước hoặc tuabin khí Các máy phát thường nối làm việc song song với nhau Công suất của một máy phát đã chế tạo trên 1200MW

Còn động cơ điện đồng bộ được sử dụng khi truyền động công suất lớn, có thể đạt đến vài chục MW và với yêu cầu tốc độ không đổi Động cơ điện đồng bộ dùng trong công nghiệp luyện kim, khai thác mỏ, thiết bị lạnh, máy bơm, khí nén, quạt gió

8.2 CẤU TẠO CỦA MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ

Cấu tạo của máy điện đồng bộ gồm có hai bộ phận chính là stato và rôto

8.2.1 Stato (phần ứng)

Stato của máy điện đồng bộ giống như stato của máy điện không đồng bộ, gồm hai bộ phận chính là lõi thép stato và dây quấn ba pha stato (xem lại phần máy điện không đồng bộ) Dây quấn stato còn gọi là dây quấn phần ứng

8.2.2 Rôto (phần cảm)

Rôto của máy điện đồng bộ là nam châm điện gồm có lõi sắt và dây quấn kích thích Dòng điện đưa vào dây quấn kích thích là dòng điện một chiều Rôto của máy điện đồng bộ có hai kiểu là rôto cực lồi và rôto cực ẩn

1 Rôto cực lồi :

Dạng mặt cực để khe hở không khí không đều, mục đích là làm cho từ cảm phân bố trong khe hở không khí hình sin để sđđ cảm ứng ở dây quấn stato hình sin (hình 8.1) Loại rôto nầy dùng ở các máy phát có tốc độ thấp, có nhiều đôi cực như máy phát kéo bởi tuốc bin thủy điện

Phần ứng kích từ

Vành góp

Cực ûtừ

Quạt gió

Vành trượt Đai

2 Rôto cực ẩn :

Khe hở không khí đều và rôto chỉ có hai cực hoặc bốn cực (hình 8.2) Loại rôto cực ẩn được dùng ở các máy có tốc độ cao như các máy kéo bởi tuốc bin nhiệt điện

Vì tốc độ cao nên để chống lực ly tâm, rôto được chế tạo nguyên khối có đường kính nhỏ

Hình 8.1 Rôto cực lồ i

Hình 8.2 Lõi thép và mặt cắt ngang rotor của máy điện đồng bộ cực ẩn

N

S

8.3 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ

C B

A

Hình 8.3 Sơ đồ nguyên lý của MF đồng bô ba pha

1 Động cơ sơ cấp (tuabin hơi); 2 Dây quấn stato;

3 Rôto của máy phát đồng bộ; 4 Dây quấn rôto; 5 Vành trượt; 6 Chổi than tỳ lên vành trượt; 7 Máy phát điện một chiều nối cùng trục với máy phát điện đồng bộ

1

+

2

Động cơ sơ cấp 1 (tuốc bin hơi) quay rôto máy phát điện đồng bộ đến gần tốc độ định mức (hình 8.3), máy phát điện một chiều 7 được thành lập điện áp và cung cấp dòng điện một chiều cho dây quấn kích thích 4 máy phát điện đồng bộ thông qua chổi than 5 và vành góp 6, rôto 3 của máy phát điện đồng bộ trở thành nam châm điện Do rôto quay, từ trường rôto quét qua dây quấn phần ứng stato và cảm ứng ra sđđ xoay chiều hình sin, có trị số hiệu dụng là:

Trong đó: E0 là sđđ pha; N là số vòng dây của một pha; kdq là hệ số dây qấn; Φ0 từ thông cực từ rôto

Nếu rôto có số đôi cực từ là p, quay với tốc độ n thì sđđ cảm ứng trong dây quấn stato có tần số là:

60

n p

Hoặc

p

f 60

n= (vg/ph) (8.2b) Khi dây quấn stato nối với tải, trong dây quấn sẽ có dòng điện ba pha chạy qua Hệ thống dòng điện này sẽ sinh ra từ trường quay, gọi là từ trường phần ứng, có tốc đô là :

7

6 5 4

3

f 60

Từ (8.2b) và (8.2c), ta thấy tốc độ rôto n bằng tốc độ từ trường quay trong máy n1, nên gọi là máy điện đồng bộ

8.4 PHẢN ỨNG PHẦN ỨNG MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ

Khi máy phát điện làm việc, từ thông của cực từ Φ0 cắt dây quấn stato và cảm ứng sđđ E0 chậm pha so với từ thông Φ0 góc 900 (hình 8.4a) Dây quấn stato nối với tải nên có dòng điện I cung cấp cho tải Dòng điện I chạy trong dây quấn stato tạo nên từ trường quay phần ứng Từ trường phần ứng quay đồng bộ với từ trường cực từ Φ0 Góc lệch pha giữa E0 và I do tính chất tải quyết định Tác dụng của từ trường phần ứng lên từ trường trường cực từ gọi là phản ứng phần ứng

Trường hợp tải thuần trở (hình 8.4a) : E0 và I trùng pha nên ψ = 0 Dòng điện I sinh ra từ thông phần ứng Φư cùng pha với dòng điện Từ thông phần ứng theo hướng ngang trục, ta gọi là phản ứng phần ứng ngang trục Từ thông nầy làm méo từ trường cực từ

Trường hợp tải thuần cảm (hình 8.4b): E0 và I lệch pha nhau một góc ψ = 900 Dòng điện I sinh ra từ thông phần ứng Φư ngược chiều với Φ0 ta gọi là phản ứng phần ứng dọc trục khử từ, có tác dụng làm giảm từ trường tổng

o

E&

Φ0

I&

Φ ư

ψ = 90 0

Hình 8.4b Tải thuần cảm ψ = 900

0

E&

Φ0 I&

Φư

ψ = 90 0

Hình 8.4c Tải thuần dung ψ = - 900

0

E&

Φ0

q

I&

Φ ư

ψ

Hình 8.4d Tải hôín hợp ψ > 0

I&

d

I&

o

E&

Φ0

I&

Φư

ψ = 0

Hình 8.4a Tải thuần trở ψ = 0

Trường hợp tải thuần dung (hình 8.4c): E0 và I lệch pha nhau một góc ψ = -

900 Dòng điện I sinh ra từ thông phần ứng Φư cùng chiều với Φ0 ta gọi là phản ứng phần ứng dọc trục trợ từ, có tác dụng làm tăng từ trường tổng

Trường hợp tải hổn hợp (hình 8.4d, tải có tính cảm : 0 < ψ < π/2) : E0 và I lệch pha nhau một góc ψ Ta phân tích dòng điện I làm hai thành phần: Thành phần dọc trục Id = Isinψ sinh ra từ thông phần ứng dọc trục Φưd cùng chiều với Φ0 và thành phần ngang trục Iq = Icosψ sinh ra từ thông phần ứng ngang trục Φưq vuông góc với

Φ0 ta gọi chung là phản ứng phần ứng ngang trục khử từ Trường hợp tải có tính dung (-π/2 < ψ < 0), phản ứng phần ứng ngang trục trợ từ

8.5 PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG ĐIỆN ÁP MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ

8.5.1 Phương trình cân bằng điện áp của máy phát điện cực lồi

Khi máy phát điện làm việc từ thông cực từ Φ0 sinh ra sđđ E0 ở dây quấn stato Khi máy có tải dòng điện I trong dây quấn stato sinh ra từ trường phần ứng Φư Ở máy cực lồi do khe hở dọc trục và ngang trục khác nhau nên ta phân tích Φư thành hai thành phần: dọc trục Φưd và ngang trục Φưq Từ trường phần ứng ngang trục Φưq tạo nên sđđ ngang trục E&q =−jI&qXưq, với Xưq là điện kháng phản ứng phần ứng ngang trục và từ trường phần ứng dọc trục Φưd tạo nên sđđ dọc trục E&d =−jI&dXưd, với Xưd là điện kháng phản ứng phần ứng dọc trục

Hình 8.5 Đồ thị vectơ máy phát điện đồng bộ

a Máy cực lồi; b Máy cực ẩn

(b) I&

0

E&

θ

ψ ϕ U&

đb

jX I&

ψ

I&

0

E&

q

I&

d

I&

q

I j&

d

I j&

ϕ θ

(a)

U &

Ngoài ra dòng điện tải I còn sinh ra từ thông tản của dây quấn stato được đặc trưng bởi điện kháng tản Xt không phụ thuộc hướng dọc trục hoặc ngang trục, tương ứng có sđđ tản là :

t q t d t

Phương trình điện áp của máy phát điện đồng bộ cực lồi :

t q q q t d d d

E

U& = & − & − & − & − &

) X X

( I j ) X X

( I j E

U& = &0 − &d d + t − &q q + t (8.4) Bỏ qua điện áp rơi trên điện trở dây quấn phần ứng RI& ư , ta có :

q q d d

E

trong đó: Xd = Xưd + Xt là điện khánh đồng bộ dọc trục;

Xq = Xưq + Xt là điện kháng đồng bộ ngang trục

Phương trình (8.5) tương ứng với đồ thị vectơ của máy phát điện đồng bộ cực lồi, hình 8.5a

Từ phương trình điện áp và đồ thị vectơ ta thấy góc lệch pha giữa sđđ E0 và điện áp U gọi là góc công suất θ, do phụ tải quyết định

8.5.2 Phương trình điện áp của máy phát điện cực ẩn

Đối với máy phát đồng bộ cực ẩn là trường hợp đặc biệt của máy phát cực lồi, trong đó Xđb = Xd = Xq, gọi là điện kháng đồng bộ Phương trình điện áp của máy phát điện cực ẩn có thể viết là:

b

E

Đồ thị vectơ của nó được trình bày trên hình 8.5b

8.6 CÔNG SUẤT ĐIỆN TỪ CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ

8.6.1 Công suất tác dụng

1 Máy phát cực lồi

Công suất tác dụng của máy phát điện cung cấp cho tải là:

Trong đó: U, I tương ứng là điện áp pha, dòng điện pha Còn m là số pha

Theo đồ thị vectơ hình 8.5a, ta có ϕ = ψ - θ, do đó :

P = mUIcosϕ = mUIcos(ψ-θ) = mUIcosψ.cosθ + mUIsinψ.sinθ

với Icosψ = Iq và Isinψ = Id

Theo đồ thị vectơ hình 8.5a, ta rút ra:

q

q

X

sin U

và

d

0 d

X

cos U E

= Thế biểu thức và vào phương trình (8.8), sau một vài biến đổi và bỏ qua tổn hao, ta có công suất điện từ của máy phát điện đồng bộ cực lồi:

q

θ

− +

θ

X

1 X

1 ( 2

U m sin X

E mU P

d q

2

d 0

Ta thấy công suất điện từ gồm hai thành phần (hình 8.6):

- Thành phần sinθ

X

mUE

d

0 do dòng điện kích từ tạo nên tỉ lệ với sinθ Đó là

thành phần công suất chủ yếu của máy phát

θ sin x

mUE

d 0

θ

− ) sin 2 x

1 x

1 ( 2

mU

d q 2

Hình 8.6 Đặc tính góc công suất

máy phát cực lồi

Đặc tính P = f(θ) gọi là đặc tính góc công suất Máy phát làm việc ổn định khi

θ trong khoảng

2

÷ ; khi tải định mức θ=200 ÷300

-Thành phần − ) sin 2 θ

X

1 X

1 ( 2

U m

d q 2

không phụ thuộc vào dòng điện kích từ

và chỉ xuất hiện khi Xq ≠ Xd Do đó

người ta chế tạo động cơ điện đồng bộ

với rôto có khe hở dọc trục và ngang

trục khác nhau mà không cần dòng điện

kích từ, do ảnh hưởng của thành phần

công suất nầy cũng tạo nên được mômen

quay, đó là nguyên lý của động cơ điện

phản kháng

2 Máy phát cực ẩn

Với máy phát điện cực ẩn Xd =Xq =Xdb nên phương trình (8.9) viết lại thành:

θ

X

E mU P

đb

0

Khi máy phát điện cực ẩn phát công suất cực đại thì góc công suất θ = 90o

VÍ DỤ 8.1

Máy điện đồng bộ ba pha cực ẩn 5kVA, 208V, 4 cực từ, 60Hz, nối Y có điện trở dây quấn stator không đáng kể và điện kháng đồng bộ 8Ω/pha Máy làm việc ở chế độ máy phát nối vào lưới có 208V, 60Hz

a Xác định sđđ kích thích và góc công suất khi máy làm việc đầy tải có hệ số công suất 0,8 (R-L) Vẽ đồ thị vector trong trường hợp này

b Với dòng điện kích thích của câu (a), công suất động cơ sớ cấp giảm chậm Tìm giá trị tương ứng của dòng điện stator, hệ số công suất và công suất phản kháng trong điều kiện máy phát công suất cực dại ?

Bài giải

Mạch điện thay thế của máy phát điện một pha trình bày trên hình VD8.1

~ +

_

+

_ I&

(a)

o

E&

j8

Hình VD 8.1 Mạch điện tương đương và đồ thị vector máy phát

o

0

đb

jX I&

I&

U&

(b)

V 9 , 206

E&o =

I&

U&

ϕ

ϕ I&jXđb

c

d

(c)

a. Điện áp pha của máy phát :

3

208 3

U

Dòng điện stator khi dầy tải :

208 3

5000 U

3

S I

đm

đm

×

=

= cosϕ = 0,8 ⇒ ϕ = 36,9o (tính cảm)

Phương trình cân bằng điện áp khi bỏ qua Rư :

E&o =U∠0o +I&jXđb

E&o =120∠0o +13,9∠−36,9o ×8∠90o

= 206,9 ∠ 25,5o.V

Sđđ kích thích của một pha : Eo = 206,9 V

Góc công suất : θ = 25,5o

b. Máy phát công suất cực đại xảy ra khi θ = 90o , vậy :

8

120 9 , 206 3 X

U E 3 P

đb

o

Dòng điện stator :

8 j

0 120 90

9 , 206 jX

U E

o o

đb

= & &

&

Trị hiệu dụng : I = 29,9 A

Hệ số công suất : cos30,1o = 0,865 (dung)

Cũng có thể dùng đồ thị vector (hình VD 8.1c) trong trường hợp phát công suất cực đại để tính dòng điện stator như sau :

o + U2

8

120 9

, 206

1

2

2 2

=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

=

8.6.2 Công suất phản kháng

1 Máy phát cực lồi :

Công suất phản kháng của máy phát điện đồng bộ là:

Q = mÚIsinϕ = mUIsin(ψ-θ) = mUIsinψ.cosθ + mUIcosψ.sinθ

Thế biểu thức và vào phương trình (8.10), sau một vài biến đổi và , ta có công suất phản kháng của máy phát điện đồng bộ cực lồi:

q

⎞

⎜

⎜

⎝

⎛ +

− θ

⎟

⎟

⎠

⎞

⎜

⎜

⎝

⎛

− +

θ

=

d q

2

d q

2

d

0

X

1 X

1 2

mU 2

cos X

1 X

1 2

mU cos

X

E mU

2 Máy phát cực ẩn :

Đối với máy phát cực ẩn Xd =Xq =X b nên phương trình (8.11), ta có công suất phản kháng của máy phát điện đồng bộ cực ẩn là:

) U cos E ( X

mU X

mU cos

X

mUE

đb b

2

b

8.6.3 Điều chỉnh công suất máy phát

1 Điều chỉnh công suất tác dụng :

Máy phát biến cơ năng thành điện năng, vì thế muốn điều chỉnh công suất tác dụng P của máy phát điện ta phải điều chỉnh công suất cơ của động cơ sơ cấp

2 Điều chỉnh công suất phản kháng :

Từ biểu thức công suất phản kháng (8.12), ta viết lại :

b

0

X

) U cos E ( mU

(8.13) Gỉa thiết giữ U, f và P không đổi thì:

- Nếu E0cosθ < U thì Q < 0, nghĩa là máy nhận công suất phản kháng của lưới điện để tạo ra từ trường, máy thiếu kích thích

- Nếu E0cosθ > U thì Q > 0, máy phát công suất phản kháng cung cấp cho tải, máy quá kích thích

Như vậy, muốn điều chỉnh công suất phản kháng ta phải thay đổi E0, nghĩa là phải điều chỉnh dòng điện kích từ Để tăng công suất phản kháng phát ra ta phải tăng dòng điện kích từ Thật vậy, nếu tăng dòng điện kích từ, E0 sẽ tăng và cosθ tăng nhưng E0sinθ không đổi, do đó Q tăng

8.7 ĐẶC TÍNH CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ

Chế độ làm việc cuả máy phát điện đồng bộ ở tải đối xứng được thể hiện rõ ràng qua các đại lượng như điện áp U ở đầu cực máy phát, dòng điện I trong dây quấn phần ứng, dòng điện kích thích It Còn tần số f = fđm = hằng số và cosϕ = const do tải bên ngoài quyết định Như vậy từ ba đại lượng còn lại ta thành lập các đặc tính máy phát điện đồng bộ sau đây:

+ Đặc tính không tải

+ Đặc tính ngoài

+ Đặc tính điều chỉnh

8.7.1 Đặc tính không tải của máy phát điện đồng bộ

Đặc tính không tải của máy phát là quan hệ giữa sđđ E và dòng điện kích từ It khi máy làm việc không tải (I = 0) và tốc độ quay của rôto không đổi (hình 8.7) Nó chính là dạng đường cong từ hóa B = f(H) của vật liệu sắt từ

8.7.2 Đặc tính ngoài của máy phát điện đồng bộ

E0

It

Edư

Hình 8.7 Đặc tính không tải E 0 = f(I t )

0

U

I

Iđm cosϕ <1

Hình 8.8 Đặc tính ngoài U = f(I)

cosϕ =1 cosϕ <0

Đặc tính ngoài của máy phát là quan hệ giữa điện áp U trên cực máy phát và dòng điện tải I khi tính chất tải không đổi (cosϕt = const), cũng như tốc độ quay rôto n và dòng điện kích từ It không đổi (hình 8.8)

8.7.3 Đặc tính điều chỉnh của máy phát điện đồng bộ

0

It

I

Iđm cosϕ =0.8 cảm

Hình 8.9 Đặc tính điều chỉnh

It = f(I) khi U= const

cosϕ =1

cosϕ = 0.8 dung

Ikt

Đặc tính điều chỉnh của máy phát là

quan hệ giữa dòng điện kích từ It theo dòng

điện tải I khi điện áp U không đổi và tốc độ

quay rôto n, cosϕt cũng không đổi (hình

8.9) Đặc tính nầy cho biết cần phải điều

chỉnh dòng điện kích từ như thế nào để giữ

điện áp U trên đầu cực máy phát không đổi

Thường trong các máy phát điện đồng bộ

có bộ tự động điều chỉnh dòng kích từ để

giữ điện áp không đổi

8.8 MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ LÀM VIỆC SONG SONG

Trong hệ thống điện gồm nhiều máy phát điện đồng bộ làm việc song song với nhau, tạo thành lưới điện Công suất của lưới điện rất lớn rất lớn so với công suất của từng máy phát, do đó tần số và điện áp của lưới điện gần như không đổi khi thay đổi tải

Trước khi đưa một máy phát vào làm việc cùng với lưới điện tức là hoà đồng bộ (hình 8.10), phải kiểm tra các điều kiện sau đây:

1 Điện áp của máy phát phải bằng điện áp của lưới điện

2 Tần số của máy phát phải bằng tần số của lưới điện

3 Thứ tự pha của máy phát phải giống thứ tự pha của lưới điện

4 Điện áp của máy phát và điện áp của lưới điện phải trùng pha nhau

Hình 8.10 Hòa đồng bộ máy phát đồng bộ vào lưới điện

1 Máy phát đồng bộ; 2 Máy cắt; 3 Lưới điện; 4 Các điều kiện hòa đồng bộ

a

I&

U kt

I kt

+

_

1

2

3

4

U& Δ

U&

Δ

U&

Δ

BF

U&

AF

U&

AL

U&

BL

U&

CF

U&

CL

U&

ωL

ωF

UL,,fL